ガスセンサMQ-4とMQ-7をArduinoに接続して
ガス警報器を製作する

Arduino用のシールドを作成する

　始めにArduino用のシールドの製作方法について説明します。下図はユニバーサル基板にピンヘッダをハンダ付けした様子です。写真の上側のピンが２本おきになっているのは、作りやすくするためのコツです。この８ピンはユニバーサル基板のグリッドから半分だけ位置をずらす必要があります。つまりランドとランドの真ん中に端子がきます。すべてのピンを斜めに曲げればよいのですが、そうするときれいに並べてハンダ付けするのが難しくなります。そこで８本のうち３本を抜いた５本でハンダ付けしています。

ユニバーサル基板を使ったArduino用シールド

　製作後は部品面側をホットメルトで固定します。その後の製作でピンへの配線のハンダ付けをするたびに溶けますので、ハンダ付け作業中や、作業直後は固まったホットメルトに接触しないように気を付けます。

ユニバーサル基板を使ったArduino用シールド

ガスセンサーシールドの製作

　下図は製作例です。きのこが３本ほど生えているような形になっています。ケースに入れた時にセンサーやブザーが露出するように考えたのと、センサーが高価なので取り外せるようにソケットで受けているので、余計に高さが増しました。左側はXBee搭載用の空き地です。

ガスセンサ Shield (左側の空き地はXBeeを搭載するために確保)

　センサーやブザーはピンソケットに接続するようにしました。一番右にメタンガスセンサ、中央付近に一酸化炭素センサ、右上にブザーを装着するようにしています。またセンサーの電源をオフにできるようにスイッチもつけています。スイッチの右側がセンサー出力信号用の負荷抵抗です。一酸化炭素ガス用が10kΩ、メタンガス用が22kΩです。
　上部の中央付近のMOS FET(2N7000)とゲート入力抵抗(1kΩ)、プルダウン抵抗(10kΩ)、コンデンサ(0.1uF)は一酸化炭素センサの電源制御用の部品です。5V供給と1.4V供給の切り替えを行いつつ、1.4V供給時はArduinoのPWM出力で電圧を生成しています。なので、ソフトを入れていない状態でArduinoを動かしたり、Arduinoが暴走したりするとセンサーが壊れてしまいます。
　ブザーの真下にあるのはArduinoのポート保護のためのダイオードと抵抗です。本機に衝撃が加わった時に圧電ブザーが発電してマイコンを壊してしまうのを防止します。

Arduino用ガスセンサーシールド（部品の実装例）

　以上の説明だけで、ほぼ回路図が分かると思いますが、念のためにパターン面も掲載しておきます。ANALOG IN A0に一酸化炭素ガスセンサ、ANALOG IN A1にメタンガスセンサ、Digital 11にCOガスの電源制御（PWM）、Digital 2にブザーを接続しています。

Arduino用ガスセンサーシールド（パターン面）

キャラクタ液晶の接続

　測定結果を表示する液晶の配線はDF ROBOT LCD Keypad Shieldと同じです。しかし、液晶シールドを取り付けることが出来ません。したがって、秋月電子で売られているSUNLIKE SSC1602BSLBを使用し、DF ROBOT LCD Keypadと同じ結線（ 8, 9, 4, 5, 6, 7）を行います。※Arduino標準ライブラリで使われている配線（12, 11, 5, 4, 3, 2）とは異なります。しかも、ピン11と2はそれぞれセンサー用の電源制御とブザーに使用していますので標準の接続では動作しません。

部品リスト

ガスセンサーのArduino用スケッチ

#include 
#include "pitches.h"

#define　　 PIN_LED　　　　 13　　　　　　　　　// Digital 13に動作確認用LEDを接続
#define　　 PIN_BUZZER　　　2　　　　　　　　　 // Digital 2にブザーを接続

#define　　 PIN_CO　　　　　0　　　　　　　　　 // ANALOG IN A0に一酸化炭素ガスセンサ
#define　　 PIN_CH4　　　　 1　　　　　　　　　 // ANALOG IN A1にメタンガスセンサ
#define　　 PIN_CO_VSS　　　11　　　　　　　　　// Digital 11にCOガスのVSS側
#define　　 PIN_CO_PWM　　　75　　　　　　　　　// COガスセンサVSS側のPWM値

#define CO_Ro　　　　　 2　　　　　　　　　　　 // COガス100ppm時のセンサ抵抗値[kΩ]
#define CH4_Ro　　　　　10　　　　　　　　　　　// メタン1000ppm時のセンサ抵抗値[kΩ]

LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);
byte trig=0;　　　　　　　　　　　　　　　　　　// COガスセンサの測定状態
byte buzzer=0x00;　　　　　　　　　　　　　　　 // ブザー状態
unsigned long time;　　　　　　　　　　　　　　 // 現在の時間
unsigned long time_next;　　　　　　　　　　　　// 次回の測定状態変更時間
boolean time_ovf = false;　　　　　　　　　　　 // 桁上がり状況のフラグ
int val;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　// CH4,COガスの読み取り値
float ch4,co;　　　　　　　　　　　　　　　　　 // CH4,COガスの測定値

void setup(){
　　pinMode(PIN_CO_VSS,OUTPUT);　　　　　　　　 // COガス用の電源ポートを出力に設定
　　digitalWrite(PIN_CO_VSS,LOW);　　　　　　　 // 出力を 0V に設定
　　lcd.begin(16, 2);　　　　　　　　　　　　　 // LCDのサイズを16文字×2桁に設定
　　lcd.clear();　　　　　　　　　　　　　　　　// 画面消去
　　lcd.print("Gas Sensors");　　　　　　　　　 // 文字を表示
　　time_next = millis() + 1000;　　　　　　　　// 1秒後にCOガス測定状態を変更する
}

void loop(){
　　time= millis();
　　digitalWrite(PIN_LED,HIGH);
　　if( time_ovf && time < 1000 ) time_ovf=false;　 // timerリセット(50日に一度)処理
　　if( time > time_next && !time_ovf){　　　　　　 // 状態変更時刻になった時
　　　　switch(trig){
　　　　　　case 0:　　　　　　　　　　　　　　　　 // 測定の実行
　　　　　　　　val = analogRead(PIN_CO);　　　　　 // 一酸化炭素ガスセンサの値を取得
　　　　　　　　co = pow(10,2.0-1.7*log10(10*(1023/(float)val-1)/CO_Ro));
　　　　　　　　digitalWrite(PIN_CO_VSS,HIGH);　　　// COガスの電源を 5V に設定
　　　　　　　　time_next += 60000;　　　　　　　　 // 60秒後に設定
　　　　　　　　if( time_next < 60000 ) time_ovf = true;
　　　　　　　　trig++;
　　　　　　　　break;
　　　　　　case 2:　　　　　　　　　　　　　　　　 // 測定待ち
　　　　　　　　analogWrite(PIN_CO_VSS,PIN_CO_PWM); // COガスの電源を 1.4V に設定
　　　　　　　　time_next += 90000;　　　　　　　　 // 90秒後に設定
　　　　　　　　if( time_next < 90000 ) time_ovf = true;
　　　　　　　　trig=0;
　　　　　　　　break;
　　　　}
　　}
　　val = analogRead(PIN_CH4);　　　　　　　　　　　// メタンガスセンサ読み取り
　　ch4 = pow(10,3.0-2.7*log10(22*(1023/(float)val-1)/CH4_Ro));

　　if(trig==1){
　　//　tone(PIN_BUZZER,NOTE_A7,100); delay(200);
　　//　tone(PIN_BUZZER,NOTE_A7,100);
　　　　trig++;
　　　　buzzer=0x00;
　　}
　　
　　/* 表示 */
　　lcd.clear();　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 液晶の画面消去
　　lcd.print("CO =");
　　if( co < 10 ) lcd.print( co , 2);　　　　　　　 // 変数coの値を表示
　　else lcd.print( co , 0);
　　lcd.print("ppm");　　　　　　　　　　　　　　　 // 変数ch4の値を表示
　　lcd.setCursor(12, 0);　　　　　　　　　　　　　 // 液晶の後方へ移動
　　if( trig == 0 ) lcd.print("COOLING");
　　else lcd.print("HEATING");
　　lcd.setCursor(0, 1);　　　　　　　　　　　　　　// 液晶の２行目に移動
　　lcd.print("CH4=");　　　　　　　　　　　　　　　// 液晶に文字を表示
　　if( ch4 < 10 ) lcd.print( ch4 , 2);　　　　　　 // 変数ch4の値を表示
　　else lcd.print( ch4 , 0);
　　lcd.print("ppm");　　　　　　　　　　　　　　　 // 変数ch4の値を表示
　　lcd.setCursor(12, 1);　　　　　　　　　　　　　 // 液晶の２行目の後方へ移動
　　lcd.print( (time/1000)%3600 );
　　digitalWrite(PIN_LED,LOW);
　　
　　/* ブザー */
　　if(buzzer){
　　　　if(buzzer&0x01){
　　　　　　if(buzzer&0x10) tone(PIN_BUZZER,NOTE_B7,100);
　　　　　　else　　　　　　tone(PIN_BUZZER,NOTE_B7,300);
　　　　　　buzzer++;
　　　　}else{
　　　　　　if(buzzer&0x10) tone(PIN_BUZZER,NOTE_G7,100);
　　　　　　else　　　　　　tone(PIN_BUZZER,NOTE_G7,300);
　　　　　　buzzer--;
　　　　}
　　}else if(co >　100) buzzer=0x01;　　　　　　　　　　// COが優先
　　else if(co　>　 50) tone(PIN_BUZZER,NOTE_A7,300);
　　else if(ch4 > 1000) buzzer=0x11;
　　else if(ch4 >　100) tone(PIN_BUZZER,NOTE_A7,100);
　　
　　/* 待ち時間 */
　　delay(500);
}

ダウンロード

　ガスセンサー測定のArduino用スケッチは下記からもダウンロードできます。XBee子機用のサンプルスケッチも含まれています。XBeeつきガスセンサーシールドは、当ページのセンサーシールドの電源とTX、RXを電圧変換してXBeeに接続して製作します。

ガスセンサーの点検・テスト方法　※火気厳禁・換気必須・屋外実施

　一酸化炭素ガスセンサーの動作確認は安全性を配慮すると少し難しいので、まずはメタンガスの動作確認から行います。一酸化炭素側の回路の方が複雑なので動作が不安かもしれませんが、メタンガスのテストに慣れてから実施した方が良いと思います。

　一酸化炭素、メタンガスともに引火すると爆発の恐れがあります。また、一酸化炭素は低濃度であっても長時間にわたって吸い続けると一酸化炭素中毒にかかる恐れがあり、非常に危険です。

　メタンガスセンサーの動作確認には市販のライターでガスだけをセンサーに向けて放出します。もちろん窓を開けるなど喚起を良くした状態でテストを行います。ガスはあまり近づけなくても鋭く反応しますので、直接、吹きかけるとセンサーが傷むような気がするくらいです。見かたを変えれば、それだけ大量のガスを広範囲に放出しているともいえます。
　ライターを使い慣れている人もそうでない人にとっても、普段のライターの使用方法とは大きく異なります。テストの際は換気や火気に対して十分に注意が必要です。。
　ガスだけを出すことが出来ないライターも多いのですが、一度、ライターを点火してから火を消して近づける方法は、とても危険ですので絶対に点火しないでください。。 　ガスセンサーの実験中にライターを点火することは、テストしたガスが思わぬ場所に残留していて引火する危険を伴います。ガス漏れ状態でテストするわけですから、火気厳禁の状態を必ず守ってください。
　下図はPanasonicのガス警報器「ガス当番」のオプションとして発売されているテスト用・点検用ガスです。価格も定価105円と安価なので、安全第一で本品を使用することを強くお奨めします。

Panasonic ガス当番用テストガス・点検用ガス SH8221（税込 ￥84円）

　次に一酸化炭素センサーの動作確認です。これは屋内では無く屋外で実施します。その理由は作業のミスによる爆発の危険性が高まるのと、意図的に不完全燃焼を発生させるので一酸化炭素中毒の危険性を伴うからです。
　くどいようですが、製作した本機を屋外に持ち出します。電源はUSB充電用モバイルバッテリなどが便利です。9Vの006P電池では消費電流が得られないので動作しない場合があります。片側のセンサーを外せば動作するかもしれません。
　一酸化炭素を集めるためにガラス瓶を用意します。ジャムの空きビンくらいが良いと思います。また一酸化炭素を発生するためにライターを使用します。ガラス瓶を逆さま（開口部が下側になるよう）にして、開口部の下にライターを近づけて点火します。必ず点火していることを確認します。点火していない場合、すぐに中断してガラス瓶の中のガスが抜けるのを待ちます。※ガスがたまった状態で再点火するのは危険です。
　始めはガラス瓶の中で完全燃焼しますがガラス瓶中の酸素が減ってくると不完全燃焼に移行します。炎の色が変わってきて、やがて炎が小さくなります。炎が消える瞬間にライターのガスも止めます。すぐに止めないと一酸化炭素がライターのガスに押しのけられて抜けてしまいます。こうして生成した一酸化炭素入りのガラス瓶を逆さまのままセンサーに覆ってテストを行います。

警報器として使用することの危険性

　普段、警報器として使用される場合も危険を伴います。何らかの不具合や偶発的な問題でArduinoが停止したり、センサーやブザーが故障したりする可能性があります。シールドやセンサーの接点の接触不良でならない場合もあります。そういった場合に、一酸化炭素濃度の異常やガス漏れを検出できずに事故が発生する危険性は認識をしておく必要があります。
　したがって、必ず市販のガス当番などのガス警報器との併用が必要です。製作したものは、市販品の補助的な役割にしてください。例えば、日常の一酸化炭素濃度の履歴から、普段の生活における一酸化炭素中毒に対する危険性を検討するなどの用途に用いることが出来ます。石油ストーブや石油ファンヒータ、ガスファンヒータなどから発生する一酸化炭素に対して、普段から適切な換気が行えているかどうかをチェックするなどの用途です。測定値が誤っていたり警報器が鳴らなかったりしても生命にかかわる事故が発生しないような使い方を想定しています。想定内、想定外を問わず、いかなる事故や損害を被った場合であっても、当方は一切の責任を負いません。

参考文献

　　・TECHNICAL DATA MQ-4 GAS SENSOR (HANWAEI ELECTRONICS)
　　・TECHNICAL DATA MQ-7 GAS SENSOR (HANWAEI ELECTRONICS)
　　・Arduinoをはじめよう (Massimo Banzi著 船田功訳 オライリージャパン)
　　・Arduino 日本語リファレンス http://www.musashinodenpa.com/arduino/ref/
　　・スイッチサイエンス http://www.switch-science.com/ (通販サイト・価格情報)